CN108036714A - 一种弹性电阻应变片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弹性电阻应变片及其制备方法，该弹性电阻应变片的拉伸性能和应力变化一致度高，吸附性强，能够在增加应变片自身回弹性的同时，减小了漂移和误差，并且受温度的影响较小，具有更高的稳定性。该弹性电阻应变片包括：不导电高分子层和导电高分子层；其中，所述不导电高分子层由第一弹性高分子复合物材料制成；导电高分子层由第二弹性高分子复合物材料制成；所述第二弹性高分子复合物材料由第一弹性高分子复合物材料和导电填料制成；所述第一弹性高分子复合物材料为固化后能形成稳定表面的高分子复合物材料；所述导电高分子层固化于不导电高分子层的表面。
Description
技术领域
本发明涉及电阻应变传感测量技术领域，尤其涉及一种弹性电阻应变片及其制备方法。
背景技术
电阻应变片是一种常见的传感元件。电阻应变片受到的拉力、压力、扭矩、位移、加速度、温度等物理量发生变化时，其电阻的也会产生相应的变化，通过对其电阻的测量和输出，从而能够获得相应的物理量的测量值。
现有技术中常见的电阻应变片有金属应变片和半导体应变片。金属应变片是由康铜丝或镍铬丝绕成栅状，或用很薄的金属箔蚀刻成栅状夹在两层绝缘薄片中制成，再用镀银铜线与应变片丝栅连接作为电阻片引线，通过金属丝产生形变导致的电阻值的变化来检测应力的大小。半导体应变片是利用单晶硅的压阻效应制成的一种敏感元件，通过半导体材料产生形变而导致电阻率变化来检测应变片所受的压力、拉力等物理量。
金属应变片由于其成本较低，体积小、质量轻，广泛应用于称重领域，但存在灵敏度较低、机械滞后性较大的缺点。半导体应变片的精度、灵敏度比金属应变片高，可广泛应用于飞机、车辆、船舶等设备机械量测量，但存在温度稳定性差、较大的应力作用下非线性误差大、机械强度低等缺点。
申请公布号为CN102506693A的中国发明专利申请公开了一种基于石墨烯的应变测量或运动传感装置，其在柔性绝缘的基底上结合有一层或多层石墨烯薄膜层来检测应力变化。该方案通过贴附的方式将石墨烯薄膜层结合在基底上，由于柔性绝缘基底与石墨烯薄膜层的拉伸性能和应力变化差异明显，不仅存在形变量差异导致的测量结果准确度低的问题，而且整个装置的测量范围受限于形变量更小的石墨烯层。
申请公布号为CN104538088A的中国发明专利申请公开了一种高拉伸导电弹性体，虽然其通过在弹性体表面采用表面修饰技术引入芳香性基团来使弹性体表面与石墨烯导电层紧密结合，但紧密贴合并不能从根本上消除二者拉伸性能和应力变化的差异，也无法扩大导电层的形变量范围。并且，由于石墨烯导电层的不稳定、形变量范围较小，上述方案均受应用环境温度影响较大，存在测量结果漂移且误差较大等技术问题。
发明内容
本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种弹性电阻应变片及其制备方法，该弹性电阻应变片的拉伸性能和应力变化一致度高，吸附性强，能够在增加应变片自身回弹性的同时，减小了漂移和误差，并且受温度的影响较小，具有更高的稳定性，可以作为弹性可拉伸电子器件的基础材料，广泛应用在医疗卫生、智能穿戴上。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。
一种弹性电阻应变片，其包括：不导电高分子层和导电高分子层，所述导电高分子层位于不导电高分子层的表面。
其中，所述不导电高分子层由第一弹性高分子复合物材料制成；导电高分子层由第二弹性高分子复合物材料制成；所述第二弹性高分子复合物材料由第一弹性高分子复合物材料和导电填料制成；
优选的，所述第一弹性高分子复合物材料、第二弹性高分子复合物材料为固化后能形成稳定表面且拉伸比为100％～500％的高分子复合物材料。
优选的，所述第一弹性高分子复合物材料为硅胶或橡胶。
优选的，所述第二弹性高分子复合物材料由质量分数为70％～99.5％的第一弹性高分子复合物材料和质量分数为0.5％～30％的导电填料制成。优选的，所述导电填料包括炭系导电填料和/或金属系导电填料；其中，所述炭系导电填料包括炭黑、乙炔炭黑、石墨、碳纳米管、碳纤维中的一种或多种，所述金属系导电填料包括金粉、银粉、铜粉、铝粉、镍粉中的一种或多种。
优选的，所述第二弹性高分子复合物材料由质量分数为82％～90％的第一弹性高分子复合物材料和质量分数为10％～18％的炭黑或碳纳米管制成。
优选的，所述导电高分子层的厚度为1um～100um，不导电高分子层的厚度为0.3mm～2mm。
优选的，所述导电高分子层的表面还设置有一保护层，该保护层为PET膜、PU膜或第一弹性高分子复合材料。
一种弹性电阻应变片的制备方法，其包括：
制备液态的第一弹性高分子复合物材料；将液态的第一弹性高分子复合物材料注入第一模具中，加热、固化第一弹性高分子复合物材料，以形成不导电高分子层；
制备液态的第二弹性高分子复合物材料；
将液态的第二弹性高分子复合物材料平铺于固化后的不导电高分子层上，加热、固化第二弹性高分子复合物材料，以形成导电高分子层并固化于不导电高分子层的表面。
优选的，所述第二弹性高分子复合物材料由质量分数为70％～99.5％的第一弹性高分子复合物材料和质量分数为0.5％～30％的导电填料制成。优选的，所述导电填料包括所述导电填料包括炭系导电填料和/或金属系导电填料；其中，所述炭系导电填料包括炭黑、乙炔炭黑、石墨、碳纳米管、碳纤维中的一种或多种，所述金属系导电填料包括金粉、银粉、铜粉、铝粉、镍粉中的一种或多种。
优选的，所述第二弹性高分子复合物材料还包括0.5％～5％作为分散剂的二氧化硅或三氧化二铝。
优选的，将液态的第二弹性高分子复合物材料通过第二模具平铺于固化后的不导电高分子层上，加热、固化第二弹性高分子复合物材料，以形成导电高分子层并固化于不导电高分子层的表面；优选的，所述第二模具采用与预设的导电高分子层相对应的形状，以形成预设形状的导电高分子层。
优选的，将液态的第二弹性高分子复合物材料平铺于固化后的不导电高分子层上，加热、固化第二弹性高分子复合物材料，再通过切割的方式获得所需的形状。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：
通过在不导电高分子层上固化形成导电高分子层，使得导电高分子层和不导电高分子层的拉伸性能和应力变化一致度高，增加了应变片自身的回弹性，减小了漂移和误差；不导电高分子层采用弹性高分子复合物材料制成，能够检测相对于应变片敏感尺寸较大的形变量，且误差较小；同时所采用的高分子复合物材料受温度的影响较小，吸附性强，具有更高的稳定性，便于应用在医疗卫生、智能穿戴等新兴领域。
附图说明
图1是根据本发明实施例的弹性电阻应变片的剖面图。
图2是根据本发明实施例的弹性电阻应变片，其不导电高分子层和导电高分子层均设置为圆形。
图3是根据本发明实施例的弹性电阻应变片，其不导电高分子层设置为矩形，导电高分子层均设置为长条形。
图4是根据本发明实施例的弹性电阻应变片，其导电高分子层设置为U结构。
图5是根据本发明实施例的弹性电阻应变片，其导电高分子层设置为多个U形相连接的结构。
图6是根据本发明实施例的弹性电阻应变片，其导电高分子层设置有导线连接点。
图7是根据本发明实施例的弹性电阻应变片的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了根据本发明一实施例的弹性电阻应变片的剖面图。该实施例的弹性电阻应变片包括不导电高分子层和导电高分子层。
其中，所述不导电高分子层由第一弹性高分子复合物材料制成；导电高分子层由第二弹性高分子复合物材料制成；所述第二弹性高分子复合物材料由第一弹性高分子复合物材料和导电填料制成；
所述第一弹性高分子复合物材料为固化后能形成稳定表面且拉伸比为100％～500％的高分子复合物材料；所述导电高分子层固化于不导电高分子层的表面。在本发明中，不导电高分子层作为导电高分子层的基底，两者紧密结合，拉伸性能和应力变化一致度高；当应变片所受应力加载结束后，除了导电高分子层自身具有的回弹力之外，不导电高分子层会额外对导电高分子层增加一个回弹力，使应变片能够在最快的速度内回复原状，减少应变片的漂移和误差。
在各种实际应用中，可根据不同的测量对象及范围选择硅胶、橡胶等作为第一弹性高分子复合物材料。例如，采用硅胶作为导电高分子层和不导电高分子层的基础复合物材料时，其拉伸比可达到500％(例如，材料在拉伸方向上的长度与材料未受拉伸时的长度之比)；采用橡胶时，拉伸比可达到200％～300％。选择不同的高分子复合物材料所制成应变片其灵敏度和线性度也不同。
并且，第二弹性高分子复合物材料由质量分数为70％～99.5％的第一弹性高分子复合物材料和质量分数为0.5％～30％的导电填料制成。其中，导电填料可以采用炭系导电填料或者金属系导电填料；炭系导电填料可包括炭黑、乙炔炭黑、石墨和碳纤维等；金属系导电填料有金粉、银粉、铜粉、铝粉、镍粉等。在本发明优选的实施例中，可以选用质量分数为10％～18％的炭黑作为导电填料，并采用质量分数为82％～90％的硅胶作为第一弹性高分子复合物材料来获取第二弹性高分子复合物材料。
当应变片采用不同的导电填料和/或不同比例的导电填料时，应变片的静态阻值、检测范围、灵敏度、线性度也不相同，导电填料的比例越高，应变片的静态阻值越低，灵敏度越高，但硬度也会越高。下表1示出了根据本发明优选的实施例中采用的多种不同质量分数的炭黑作为导电填料，并采用相应质量分数的硅胶作为第一弹性高分子复合物材料，所获取的具体多种不同导电性能的第二弹性高分子复合物材料的实验数据，以将弹性电阻应变片应用在不同的场景和位置。
表1
如图2、图3所示实施例的弹性电阻应变片的不导电高分子层和导电高分子层可以设置为圆形、矩形、方形、长条形等形状。根据应用场景的不同，例如为了分别对不同的肌肉群的形变进行测量，可以将不导电高分子层设置为沿着肌肉纹理的长条形并将导电高分子层设置为在不导电高分子层上沿长度范围内延伸分布，以提高检测的应力变化范围；并通过导电高分子层的端点或者边缘引出导线，通过与导线连接的电阻计量设备来测量导电高分子层的电阻变化，进而获取对于的应力变化值。
为了使应变片能够具有较好的贴合性，所述导电高分子层的厚度可为1um～100um，不导电高分子层的厚度可为0.3mm～2mm。较薄的应变片具有质量轻、弹性度高的优点，可应用于医疗卫生、智能穿戴、航空航天等对应变片的稳定性、漂移和误差要求较高的场景。例如，可以将本发明提供的弹性电阻应变片制作为环形并佩戴在胸腔周围，通过测量应变片的阻值变化来获取呼吸频率和呼吸强度数据。或者，也可以将弹性电阻应变片直接贴附于其下具有较大血管的体表位置处，通过测量应变片的阻值变化来获取心率数据。在进一步的实施例中，可以将多个应变片制作为关节护套(例如，腕关节护套、膝关节护套、手套等)，通过多个应变片的阻值变化来获取关节的状态数据。
并且，为了提高导电高分子层的稳定性，减少环境和测量目标产生的影响，可以在所述导电高分子层的表面设置一保护层，该保护层为PET膜、PU膜或第一弹性高分子复合材料。
如图4、图5所示实施例的弹性电阻应变片的导电高分子层可以设置为U形或者由多个U形相连接的结构，从而可以在相同的接触面积(通常即不导电高分子层与测量目标之间的接触面积)下提高导电高分子层的形变量，从而提高应变片检测的灵敏度。在进一步的实施例中，导电高分子层可以设置为螺旋线形、等六边形蜂窝结构等。
如图6所示，在将导电高分子层设置为长条形的情况下，为了方便地引出导线，可以在长条形的导电高分子层的末端或者其他形状的边缘上设置与导线宽度匹配的导线连接点，以提高连接的可靠性。
图7示出了根据本发明一实施例的弹性电阻应变片的制备方法的流程图。该实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤101：制备液态的第一弹性高分子复合物材料；
现有技术有多种可制备不导电高分子层的方案，例如，选择硅胶作为第一弹性高分子复合物材料，可以采用AB双组份硅胶来制备液态硅胶。具体地，可以取A组份零度液态硅胶和B组份的固化剂，搅拌均匀使A、B两组份充分混合来获取液态的硅胶。其中，A、B两组份的比例可以根据现有AB双组份硅胶的配方要求来设置为一比一或者其他比例。
步骤102：将液态的第一弹性高分子复合物材料注入第一模具中，加热、固化第一弹性高分子复合物材料，以形成不导电高分子层；
其中，第一模具可以采用与不导电高分子层相对应的形状，也可以采用易于生产的形状(例如矩形或方形)，然后通过切割的步骤来形成预设形状的不导电高分子层。加热温度通常小于100℃，加热温度越小所需加热时间越长，具体的加热温度和时间可根据实际情况进行选择。优选的加热温度为90℃，加热时间为30分钟，固化时间大于15分钟。
步骤103：制备液态的第二弹性高分子复合物材料；
例如，以硅胶作为第一弹性高分子复合物材料、炭黑作为导电填料，可以首先采用AB双组份硅胶来制备质量分数为的82％～90％液态硅胶，然后取质量分数为10％～18％的炭黑作为导电填料加入的液态硅胶中，搅拌均匀，使炭黑和液态硅胶充分混合，制成液态导电硅胶。在优选的实施例中，还可以在搅拌之前加入质量分数为0.5％～5％的分散剂(例如，二氧化硅、三氧化二铝)，在实施例中可以添加2％的二氧化硅作为分散剂，以使导电填料在硅胶中的导电更为均匀。
步骤104：将液态的第二弹性高分子复合物材料通过第二模具平铺于固化后的不导电高分子层上，加热、固化第二弹性高分子复合物材料，以形成导电高分子层并固化于不导电高分子层的表面。
其中，第二模具可以采用与预设的导电高分子层相对应的形状(例如，为U形或者多个U形相连接)，以形成预设形状的导电高分子层。
或者，步骤104中也可以不采用第二模具，而是直接将液态的第二弹性高分子复合物材料平铺于固化后的不导电高分子层上，加热、固化第二弹性高分子复合物材料，再通过切割的方式获得所需的形状。
优选的加热温度为90℃，加热时间为30分钟，固化时间大于15分钟。通过直接在不导电高分子层上固化第二弹性高分子复合物材料来形成导电高分子层，使得导电高分子层和不导电高分子层的拉伸性能和应力变化高度一致，能够增加应变片自身的回弹性，并减小漂移和误差。
以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种弹性电阻应变片，其特征在于，包括：不导电高分子层和导电高分子层，所述导电高分子层位于不导电高分子层的表面；
其中，所述不导电高分子层由第一弹性高分子复合物材料制成；导电高分子层由第二弹性高分子复合物材料制成；所述第二弹性高分子复合物材料由第一弹性高分子复合物材料和导电填料制成。
2.根据权利要求1所述的弹性电阻应变片，其特征在于，所述第一弹性高分子复合物材料、第二弹性高分子复合物材料均为固化后能形成稳定表面且拉伸比为100％～500％的高分子复合物材料。
3.根据权利要求1或2所述的弹性电阻应变片，其特征在于，所述第一弹性高分子复合物材料为硅胶或橡胶。
4.根据权利要求1或2所述的弹性电阻应变片，其特征在于，所述第二弹性高分子复合物材料由质量分数为70％～99.5％的第一弹性高分子复合物材料和质量分数为0.5％～30％的导电填料制成；
其中，所述导电填料包括所述导电填料包括炭系导电填料和/或金属系导电填料；所述炭系导电填料包括炭黑、乙炔炭黑、石墨、碳纳米管、碳纤维中的一种或多种，所述金属系导电填料包括金粉、银粉、铜粉、铝粉、镍粉中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的弹性电阻应变片，其特征在于，所述第二弹性高分子复合物材料由质量分数为82％～90％的第一弹性高分子复合物材料和质量分数为10％～18％的炭黑或碳纳米管制成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的弹性电阻应变片，其特征在于，所述导电高分子层的厚度为1um～100um，不导电高分子层的厚度为0.3mm～2mm。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的弹性电阻应变片，其特征在于，所述导电高分子层的表面还设置有一保护层，该保护层为PET膜、PU膜或第一弹性高分子复合材料。
8.一种弹性电阻应变片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
制备液态的第一弹性高分子复合物材料；将液态的第一弹性高分子复合物材料注入第一模具中，加热、固化第一弹性高分子复合物材料，以形成不导电高分子层；
制备液态的第二弹性高分子复合物材料；将液态的第二弹性高分子复合物材料平铺于固化后的不导电高分子层上，加热、固化第二弹性高分子复合物材料，以形成导电高分子层并固化于不导电高分子层的表面。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述第二弹性高分子复合物材料由质量分数为70％～99.5％的第一弹性高分子复合物材料和质量分数为0.5％～30％的导电填料制成；
其中，所述导电填料包括炭系导电填料和/或金属系导电填料；所述炭系导电填料包括炭黑、乙炔炭黑、石墨、碳纳米管、碳纤维中的一种或多种，所述金属系导电填料包括金粉、银粉、铜粉、铝粉、镍粉中的一种或多种。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述第二弹性高分子复合物材料还包括质量分数为0.5％～5％且作为分散剂的二氧化硅或三氧化二铝。
11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，将液态的第二弹性高分子复合物材料通过第二模具平铺于固化后的不导电高分子层上，加热、固化第二弹性高分子复合物材料，以形成导电高分子层并固化于不导电高分子层的表面；其中，所述第二模具采用与预设的导电高分子层相对应的形状，以形成预设形状的导电高分子层。
12.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，将液态的第二弹性高分子复合物材料平铺于固化后的不导电高分子层上，加热、固化第二弹性高分子复合物材料，再通过切割的方式获得所需的形状。
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